2.1 流体的有关性质
流体的流动一般指流体受外力作用而引起的宏观运动。在研究流体流动时，可以把流体视作无数贴紧的分子基团所组成的连续物质，也就是说流体所占据的空间全部被这种物质充满。把流体视为连续物质的目的在于，可以把无数流体质点的运动所组成的流动视为流体整体的宏观运动，而研究宏观的流体流动的规律，对于过程工业有着更为重要的意义。
为研究这种规律，需要先介绍流体的几个性质。
2.1.1 流体的密度
单位体积流体的质量称为流体的密度。
（2-1）
式中 ρ——流体的密度，kg/m3；
m——流体的质量，kg；
V——流体的体积，m3。
不同流体的ρ的数值，通常可在有关手册中查得。
流体的密度随其温度和压力而变化。因液体为不可压缩流体，故压力对液体的密度影响很小，可忽略不计。
一些书中常出现比重，在法定计量单位中该量的名称为相对密度，它是指液体密度与纯水在4℃时的密度的比值。相对密度以符号d表示，即：
（2-2）
相对密度是没有单位的。纯水在4℃时，其密度为1000kg/m3，故液体的密度与相对密度在数量上的关系可表示为：
ρ=1000d （2-3）
（1）液体的密度
液体的密度一般可从手册中查得。有些液体的密度在手册中查不到，可按密度的定义由实验测得。
过程工业上常将比重计置于被测液体中，即能读出该液体的相对密度值，再按式（2-3）算出该液体的密度。如将比重计插入某液体中，测出其相对密度为1.26，则该液体在测试温度下的密度为1260kg/m3。
多种组分的液体混合物的密度要用实验方法求其准确值。工业上一般用平均密度ρm表示即可，ρm由式（2-4）求得：
（2-4）
式中 ρA，ρB，…，ρN——液体混合物中，A、B、…、N各组分的密度，kg/m3；
xWA，xWB，…，xWN——液体混合物中，A、B、…、N各组分的质量分数。
【例2-1】 求常温常压下，质量分数为60%的酒精水溶液的密度。
解 查手册可得：
（2）气体的密度
气体是可压缩流体，热膨胀性比液体要大，其密度随压强和温度而变化的特征更明显。因此，气体的ρ值一般需标明状态。从手册中查得的气体密度均为某一指定条件下的数值，计算时需注意换算成操作条件下的密度值。一般情况下，在压力不太高、温度不太低时，可将气体按理想气体处理。对于一定质量的理想气体，在其体积、压强和温度之间，存在有如下关系：
（2-5）
将代入上式，消去m，整理后得：
（2-6）
式中 p——气体的绝对压力，kPa；
V——气体的体积，m3；
T——气体的热力学温度，K。
上标“'”表示手册中指定的状态。
式（2-5）称为理想气体状态方程。应用式（2-6）可近似求得某一操作温度和压力下的气体密度。若指定所处的状态为标准状态，则此时的气体密度就应为分子量M与22.4m3之商，即：
（2-7）
将式（2-7）代入式（2-6），并将表示标准状态的下标“0”代替上标“'”，则有：
（2-8）
因为：
所以：
（2-9）
式中 V0——1kmol气体在标准状态下所具有的体积，V0=22.4m3；
R——气体常数，R=8.314kJ/（kmol·K）。
【例2-2】 求乙炔在40℃和0.3MPa条件下的密度。
解 p=0.3MPa=300kN/m2 T=40℃=313K
M=26kg/kmol R=8.314kJ/（kmol·K）
对于气体混合物，工业上可用气体密度ρm近似地表示其密度值。ρm的求法有两种，一种是：
（2-10）
式中 xA，xB，…，xN——气体混合物中各组分的体积分数，即摩尔分数。
另一种求法是计算出气体混合物的平均分子量Mm，再将Mm代入式（2-9）中，即可求得ρm，而Mm可由式（2-11）求得：
（2-11）
式中 MA，MB，…，MN——气体混合物中各组分的摩尔质量，kg/kmol。
【例2-3】 求压力为0.4MPa、温度为30℃时的空气的密度。空气组成可按79%的N2和21%的O2计。
解 
2.1.2 流体的压力
流体垂直作用于单位面积上的压力，称为流体的压力强度或流体静压强，简称压力。即：
（2-12）
式中 p——流体的压力，Pa；
F——垂直作用于流体表面的力，N；
A——作用面的面积，m2。
（1）压力的单位及其换算
在SI中，压力的单位为N/m2，代号为Pa。由于此单位较小，工业上常用千帕kPa（kN/m2）或兆帕MPa（MN/m2）表示压力，其间关系为：
1MPa（MN/m2）=103kPa（kN/m2）=106Pa（N/m2）
工业上常用液柱压力计测量压力，此时压力单位常用毫米汞柱（记作mmHg）或米水柱（记作mH2O）来表示。这种单位的意义是作用在单位液柱底面积上的液体重力，即：
（2-13）
式中 A——液柱的底面积，m2；
Z——液柱的高度，m；
ρ——液柱的密度，kg/m3；
g——重力加速度，g=9.81m/s2。
对于一定的液体，ρ为常数，p仅为Z的单值函数，故可用液柱的高度来表示压力。
用压力表测压时，早一些的仪表表盘上注明的单位为千克力/厘米2或kgf/cm2，这些单位表示为工程大气压。工业中常说1atm即指压力为1kgf/cm2。
在实验室中，还采用标准大气压（又称物理大气压）为压力单位，记作atm。
以上各种单位间的换算关系为：
1kgf/cm2=735.6mmHg=10mH2O=9.81×l04Pa（N/m2）
（2）流体的绝对压力、表压和真空度
绝对压力、表压和真空度，是在不同场合下为计量压力方便而采用的三种表示方法。
绝对压力是以绝对真空为起点来计算的压力。它把空气施于流体的压力也考虑在内，因此是流体的真实压力。一般说空气的压力为1atm，即是指空气的绝对压力为101.3kPa。
表压是指压力表上的读数，它表示被测流体的绝对压力比大气压高出的压力值，用于度量高于大气压的流体压力。例如，为测定设备内流体的压力而安装的压力表所示压力为0.2MPa，而该设备所在地区的大气压为0.1MPa，那么设备内流体的绝对压力即为0.3MPa。如压力表指示出的压力值为0，则设备内流体的压力等于大气压，也就是常说的设备内流体“没有”压力。表压与绝对压的关系为：
绝对压力=大气压+表压
真空度是指真空表上的读数，它表示被测流体的绝对压力低于大气压的压力值，用于度量低于大气压的流体压力。例如，真空表上示出被测流体的真空度为300mmHg，而该地区的大气压为750mmHg，那么被测流体的绝对压力为：
750-300=450（mmHg）
显然，真空度与绝对压力的关系为：
绝对压力=大气压-真空度
应予指出，外界大气压随大气的温度、湿度和所在地区的地理位置而改变。因此，真空度和表压不仅是流体绝对压力的函数，而且也是大气压的函数。计算时，可参阅有关设计资料，查出全国各地平均大气压的数值，作为计算依据。
【例2-4】 兰州某厂一真空干燥器的真空表读数为560mmHg，同一工艺过程若在天津操作，要求器内维持相同的绝对压力，其操作条件的真空度应为多少？兰州地区平均大气压为640mmHg，天津地区平均大气压约为760mmHg。
解 在兰州操作时，器内的绝对压力为：
在天津操作需维持相同的绝对压力，但大气压与兰州的不同，故其真空度也不同，其值为：
绝对压力、表压和真空度通过大气压可以建立起彼此之间的关系，如图2-1所示。在计算时需将不同的压力表示方法和单位统一起来后，再进行运算。一般在没有特殊说明时均指表压。
图2-1 绝对压力、表压和真空度的关系
【例2-5】 装在某设备进口处的真空表读数为p1=30mmHg，装在设备出口处的压力表读数为p2=1kgf/cm2，求设备进出口的压力差。
解 出口压力为表压，进口为真空度，需统一为绝对压力，再计算压力差。
p2=p大气+98.1（kPa）
p1=p大气-4（kPa）
则：
p2-p1=（p大气+9.81）-（p大气-4）=102（kPa）